河道型水库库岸防护措施比选

林 宇

(1.福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福州 350001；2.福建省水动力与水工程重点实验室，福州 350000)

我省有众多河道型水库，随着城乡建设发展进程的加快，库区大量的城镇、道路、码头等工程的建设全面开展。而与此同时，库区沿岸的滑坡、崩塌等地质灾害频发，对库区周边群众的生命财产安全构成威胁，因此对重点段落的库岸进行切实有效的防护势在必行。此外，生态水利理念的不断推行及深化，对库岸防护工程的设计提出了更高的要求。本文以水口库区黄田镇双坑村库岸防护工程为例，对河道型水库库岸防护措施进行探讨。

1 工程概况

1.1 概况

黄田镇双坑村库岸防护工程位于宁德市古田县，属于水口水库的库区内湾，位于水口电站上游约35 km。黄田镇双坑村属于水口库区移民村，村民在库岸周边生产与居住。近年来双坑村实施了部分库岸防护工程的建设，然而受到人类活动、工程建设以及降雨洪水等影响，未采取工程防护措施的库岸边坡出现了不同程度的破坏与险情，如不及时治理，侵蚀发展可能会导致大面积滑坡，将危及坡顶建筑的安全。

1.2 水库情况

水口水库是以发电为主，兼顾防洪、航运的大(1)型水库，属河道型水库。水库正常蓄水位为65.0 m，主汛期(4—7月)汛限水位为61.0 m，死水位为55.0 m。近年来，水口水库的水位常年不稳定，在死水位与正常蓄水位之间波动强烈，对库岸边坡的安全造成了严峻的考验(水库10月14日水位—库容变化如图1所示)。

图1 10月14日水口水库水位变化曲线示意

1.3 地质条件

工程区库岸边坡为土质边坡，坡度28°～35°，为斜坡—陡坡，组成库岸的地层岩性有杂填土、坡残积粘性土、全风化凝灰熔岩(砂质粘土)。水库正常蓄水位以下边坡岩土层以坡残积层为主，部分见全～强风化岩体出露，为上覆土层下卧岩层的结构。

1.4 存在问题

待防护库岸边坡分为3段，库岸长度为1.1 km，库岸沿线为双坑村村道及民房。除了村道，坡顶有较多民房紧挨坡眉，距离最近处仅为2.0 m。库岸地形坡度较陡，边坡稳定性较差，且坡面裸露未做防护，库岸出露坡面均为坡残积土，村民生产生活对边坡稳定也造成较大影响。

近年来双坑村实施了部分库岸防护工程建设(见图2)，然而受到人类活动、工程建设以及洪水侵袭等影响，未采取工程防护措施的库岸边坡出现了不同程度的破坏与险情，如不及时治理，侵蚀发展可能会导致大面积滑坡，将危及坡顶临近建筑及道路的安全。

图2 库岸防护工程布置示意

经水口水电站多年运行，水库塌岸(库岸再造)已基本完成，塌岸范围及宽度已基本稳定，总体来看，汛限水位以下库岸基本稳定；汛限水位以上至居民房屋外侧边坡以人工堆积的杂填土为主，杂填土较松散，工程性能差，局部有浅表裂缝，边坡稳定性差，同时全风化凝灰熔岩遇水易软化、崩解，应采取工程措施对库岸进行防护。另外，由于库岸边坡坡面和坡底杂草丛生，环库岸坡的生态环境与双坑村美丽乡村建设目标有较大差距，同样存在提升空间。

2 防护措施的选择

2.1 工程条件分析

本工程位于水库库区内湾段，边坡距离水口电站枢纽较远，根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[1]《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)[2]，本库岸防护工程等别定为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。

根据相关规划，项目区水体与库岸分别作为景观水域及湖滨绿化带考虑，南北岸有莱福铁路与纵五线穿越，东西岸有河滨路环抱，库岸的生态景观属性应作为重要因素考虑。库岸岸坡防护措施应根据防护对象位置、库岸地形地质条件、施工组织、工程投资等因素进行合理选择[3]。

双坑村库岸防护存在较多难点：① 库岸较高较陡；② 水深较大；③ 水位变幅较大。防护措施应综合库岸地形地质条件、施工难度、工程投资及生态景观效果等因素进行合理选择[4]。经过对库岸坡面情况的分析研判，明确本次库岸防护的主要任务为：固脚、护坡以及保土。即通过防护措施阻止坡面土层被水位变动侵蚀掏刷，同时防止库岸的整体滑移。根据地勘成果，选取现状库岸边坡断面对其稳定性进行复核，初步确定滑动面的位置。经计算，在水位骤降情况下，现状库岸边坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求，而正常运行情况下的边坡安全系数略微大于允许安全系数。计算结果印证了库岸边坡在周期性水位变幅下，库岸边坡整体稳定性逐渐降低，且其最危险的滑弧逐渐在水位变幅区内的最低水位线上贯通堆积层，并于最低水位线处滑出[5]。

图3 现状库岸抗滑稳定计算示意

2.2 防护措施拟定

由于岸坡顶有较多民房及公路紧临库岸坡眉，故不适宜进行大规模削方放坡；另因该处库水位较深，设置围堰在经济上不可取；挡墙方案墙身高度较大，将增加坡顶荷载，不利于坡面整体抗滑。因此库岸治理考虑填筑压脚或施打抗滑桩[6]，结合坡顶局部削坡减载、坡面生态防护的综合措施[7]。对于库岸坡面防护，较为传统的措施有零散抛石及模袋混凝土护坡等[8]，前者并不适用于坡高岸陡的库岸，同时施工质量难以保证，另外对于石料的浪费也难以把握；后者在坡面防护及地形适应上具备一定优势，却阻隔了岸坡与水体的交换，也存在缺陷。经对比及初筛，格宾抛石不仅具备传统护坡措施的优点，同时弥补了传统材料的缺陷，在岸坡防护上优势凸显[9]。

3 设计方案比选

3.1 方案1：抗滑桩方案(抗滑桩+上部生态护坡)

方案1采用抗滑桩作为阻滑工程的主体，结合库区汛限水位(61.00 m)，以61.5 m高程作为抗滑桩顶高程，同时在该高程设置3 m的平台。抗滑桩采用直径1.0 m钻孔灌注桩形成排桩，桩间距为1.0 m，桩长约15 m，深入全风化凝灰熔岩体中下部。另外，在不影响岸顶民房及公路的前提下对岸坡上部边坡进行清表削坡，放缓至1∶2的坡度，坡面采用生态护坡+绿化种植进行护面；坡顶处根据需要设置步道(或路面)以及防护栏杆。方案1防护典型剖面如图4所示。

图4 方案1断面示意

3.2 方案2：抛石固脚压坡方案(抛石+上部生态护坡)

方案2在坡脚采用抛石压重从而产生阻滑作用，即在坡脚处采用格宾抛石压重，形成格宾抛石戗堤，戗堤顶高程55.0 m，顶宽3 m，内外坡坡度均为1∶1.5。戗堤背坡至61.5 m高程之间的岸坡坡面分2层填筑，底层抛填块石或石渣，面层采用1 m厚格宾抛石护坡，此处底层块石抛填与面层格宾抛石放置时形成的坡面均以1∶2的坡度控制。面层格宾抛石护坡护至61.5 m高程，并形成3 m宽的平台，平台内侧坡脚设置C20砼护脚梁，护脚以上边坡及坡顶的防护形式同方案1。方案2防护典型剖面如图5所示。

图5 方案2断面示意

3.3 设计计算

本次库岸防护断面抗滑稳定计算采用南京水准科技有限公司的Autobank7.7版程序，选取岸坡高度较大且坡度较陡的断面进行计算，该断面岸坡高度为19.1 m。

依据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[1]附录中推荐的抗滑稳定计算方法，以水位骤降工况作为正常运用条件的控制工况[10]，施工期工况作为非常运用条件I的相应工况。施工期计算方法采用总应力法，对应解法为瑞典法；水位骤降期计算方法采用有效应力法，对应解法为毕肖普法。水位骤降变幅考虑由汛限水位附近(62.0 m)降至死水位(55.0 m)。

根据前文中对相应现状库岸抗滑稳定计算结果，抗滑桩的设置首先保证桩身强度符合要求，选取桩径D1 000、桩距1 000的单排钻孔灌注桩，桩身抗剪强度取2 000 kPa；其次确保桩的稳定，考虑抗滑桩在潜在滑动面以下的长度达到桩长的1/3以上，故而将桩底深入至全风化岩体中下部。

根据库岸土体力学性质指标对2个防护方案典型断面不同工况分析计算的结果见表1。

表1 护岸工程边坡整体抗滑稳定计算成果

3.4 设计方案综合比选

3.4.1结构稳定性

经稳定分析计算，2种防护方案岸坡在控制工况下的整体抗滑稳定均满足规范要求，实施后均可有效保证岸坡安全可靠，2种工程方案的结构稳定性相当。

3.4.2投资经济性

在工程投资方面，方案1每延米长度库岸防护工程费用约为19 680元，方案2每延米长度库岸防护工程费用约为20 130元，方案1的工程投资略低。

3.4.3施工适应性

2种防护措施的施工技术均较为成熟，然而本项目库岸有其特殊性与难点，其对施工方法、质量以及效率均有不同程度的影响。根据相关工程经验，对比2个方案在施工方面的优劣之处(见表2)。

表2 施工特性对比

在表2的基础上对各方案的施工方法的优劣进行剖析，工程区处于村落房屋较密集处，民房与道路紧临岸顶坡眉，且岸顶至汛限水位的高差较大，同时库区水位变动频繁剧烈。根据工程经验在此施工条件下，即进行钻孔灌注桩施工前，利用抛石形成比汛限水位略高的可靠施工平台是常规做法，但该方案在经济上较为浪费；然而在变动剧烈的库区水面上借助船只打桩时[11]，要确保钻机的稳定稳固与周正水平，取得较高的成孔质量，难度颇大。

分析方案2，受施工场地的局限相对小，作为主体的格宾抛石，可由汽车吊从岸顶吊运放置[12]，必要时在铺设位置以工具船只辅助即可。铺设格宾抛石不论是营造戗堤或坡面，在施工方法上更容易满足精度及质量要求。对比分析后不难总结出：方案2在本工程中的适应性高于方案1。

3.4.4岸坡生态性

对于库岸防护措施的生态景观属性，方案1抗滑桩为了保证库岸土体的稳固须进行封闭，在一定程度上阻隔了水体与坡岸的物质交换，限制了岸坡土壤的呼吸，对于水岸生态环境有一定影响；方案2用堆石营造缓坡，格宾石笼平整美观，同时石块间大大小小的洞穴为库区鱼虾提供了休养生息的场所，保留了水岸物质交换的通道，有利于水岸动植物生存。

综上分析，经过对比2个方案在结构稳定性、工程经济性、施工适应性及护岸生态性4个重要方面的优劣后，推荐黄田镇双坑村库岸防护工程采用方案2抛石固脚压坡作为设计方案。

4 结语

黄田镇双坑村库岸防护工程结合相应规划，旨在选择最适宜的综合防护方案。针对水口库区内湾段的特性，分析库岸存在问题与设计难点，拟定了抗滑桩与抛石固脚压坡两大防护措施，而后在安全性、经济性及适应性等方面对比分析了两种方案的优劣，最终推荐采用更为适宜的抛石固脚压坡方案。本项目不仅能够提升工程区库岸的安全稳定，还可改善水口库区沿岸生态环境及人居环境。对于河道型水库，其库区库岸的范围较大，不同区段岸坡的地形地质条件也各不相同，本文推荐的防护措施在适宜条件下可供类似工程借鉴。